CN114498956A - 一种无线充电控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线充电控制系统及方法。该控制系统包括：接收端线圈、补偿网络、可控整流器和控制器；其中，控制器与可控整流器电连接，用于控制可控整流器工作于短路状态，获取可控整流器输入电流的同步信号；控制可控整流器处于可控整流输出状态，调节直流输出电压并稳定至目标电压；恒压负载开启后，调整可控整流器的输出电流的相位角，将直流输出电压稳定于目标电压；在恒压负载等效电阻发生波动时，动态调节可控整流器的输出电流的相位角以及对相位角进行调整的控制频率。本发明实施例的技术方案通过控制输出电流的相位角，可动态调节直流输出电压以及相位角调节的控制频率，使直流输出电压稳定至目标电压。

Description

一种无线充电控制系统及方法
技术领域
本发明实施例涉及无线充电技术，尤其涉及一种无线充电控制系统及方法。
背景技术
随着电动汽车爆发式增长，充电技术成为电动汽车领域创新发展的突破点之一。新兴的无线充电技术开始逐步替代传统的有线充电技术，成为人们优先选择的充电方式。
现有技术中，无线充电接收端采用LCC补偿网络，可以满足恒流输出电流，无法产生稳定的恒压输出电流，在适配的负载类型方面存在较大局限性。
基于此，如何使电动汽车无线充电系统产生稳定的恒压输出电流成为行业内亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种无线充电控制系统及方法，以实现无线充电系统产生稳定的恒压输出电流至负载。
根据本发明的一方面，提供了一种无线充电控制系统，包括：
接收端线圈，接收端线圈用于感应发射端线圈产生的高频磁场，生成感应电流；
补偿网络，补偿网络与接收端线圈的两端电连接；用于输出恒定电流；
可控整流器，可控整流器的输入端与补偿网络电连接，输出端连接有恒压负载；
控制器，控制器与可控整流器电连接，用于控制可控整流器工作于短路状态，根据可控整流器的输入电流获取同步信号；控制可控整流器由短路状态切换至可控整流输出状态，根据同步信号控制可控整流电路，调节直流输出电压并稳定至目标电压；恒压负载开启后，调整可控整流器的输出电流的相位角，将直流输出电压稳定于目标电压；在恒压负载等效电阻发生波动时，动态调节可控整流器的输出电流的相位角以及对相位角进行调整的控制频率。
可选的，可控整流器配置有可控整流电路；
可控整流电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一场效应管和第二场效应管；
第一二极管的第一端与第三二极管的第二端电连接，可控整流电路的第一端连接于第一二极管的第一端与第三二极管的第二端之间；第二二极管的第一端与第四二极管的第二端电连接，可控整流电路的第四端连接于第二二极管的第一端与第四二极管的第二端之间；第一二极管的第二端以及第二二极管的第二端与可控整流电路的第二端电连接；第三二极管的第一端以及第四二极管的第一端与可控整流电路的第三端电连接；
第一场效应管的第一极与第二极并联连接于第三二极管的第一端和第二端；第二场效应管的第一极与第二极并联连接于第四二极管的第一端和第二端。
可选的，第一场效应管的控制极以及第二场效应管的控制极均与控制器电连接。
可选的，补偿网络包括：第一电容、第二电容、第三电容、第一电感和第二电感。
其中，第一电容的第一端与接收端线圈的一端电连接，第一电容的第二端与第一电感的第一端电连接；第一电感的第二端与可控整流电路的第一端电连接；第二电容的第一端与接收端线圈的另一端电连接，第二电容的第二端与第二电感的第一端电连接；第二电感的第二端与可控整流电路的第四端电连接；第三电容并联于第一电容的第二端与第二电容的第二端之间。
根据本发明的另一方面，提供了一种无线充电控制方法，适用于无线充电控制系统，无线充电控制系统包括：接收端线圈、补偿网络和可控整流器，接收端线圈用于感应发射端线圈产生的高频磁场，生成感应电流；补偿网络与接收端线圈的两端电连接，用于输出恒定电流；可控整流器的输入端与补偿网络电连接，输出端连接有恒压负载；
无线充电控制方法包括：
控制可控整流器工作于短路状态，根据可控整流器的输入电流获取同步信号；其中，同步信号包括：电流谐振频率与电流过零点信息；
控制可控整流器由短路状态切换至可控整流输出状态；
根据同步信号控制可控整流电路的输出电压并稳定至目标电压；
在恒压负载开启后，调整可控整流器的输出电流的相位角，将直流输出电压稳定于目标电压；
在恒压负载等效电阻发生波动时，动态调节可控整流器的输出电流的相位角以及对相位角进行调整的控制频率。
可选的，可控整流器包括可控整流电路，可控整流电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一场效应管和第二场效应管，第一二极管的第一端与第三二极管的第二端电连接，第二二极管的第一端与第四二极管的第二端电连接，第一二极管的第二端与第二二极管的第二端电连接，第三二极管的第一端与第四二极管的第一端电连接，第一场效应管的第一极与第二极并联连接于第三二极管的第一端和第二端；第二场效应管的第一极与第二极并联连接于第四二极管的第一端和第二端；
调整可控整流器的输出电流的相位角，包括：
控制可控整流器中第一场效应管和第二场效应管的导通或关断，调节可控整流器的输出电流的相位角。
可选的，控制可控整流器中第一场效应管和第二场效应管均导通时，可控整流器的输出电流的相位角调节至0°，可控整流器工作于短路状态；
控制可控整流器中第一场效应管和第二场效应管均关断时，可控整流器的输出电流的相位角调节至90°，可控整流器工作于不控整流输出状态；
控制可控整流器中第一场效应管和第二场效应管交替导通时，可控整流器的输出电流的相位角调节为0°至90°之间，可控整流器工作于可控整流输出状态。
可选的，在恒压负载等效电阻发生波动时，动态调节对可控整流器的输出电流的相位角进行调整的控制频率之前，还包括：
根据目标电压和负载功率，计算负载等效电阻；
根据负载等效电阻和母线电容计算得到时间常数与控制频率。
可选的，在控制可控整流器工作于短路状态，根据可控整流器的输入电流获取同步信号之前，还包括：
发送通讯信号至发射端控制器，使发射端线圈产生高频磁场。
可选的，在在恒压负载等效电阻发生波动时，动态调节可控整流器的输出电流的相位角以及对相位角进行调整的控制频率之后，还包括：
切断负载连接或负载关机，无线充电完成；
可控整流器由可控整流输出状态切换至短路状态，保持待机。
本发明实施例的技术方案设计一种具有可控整流器的无线充电系统，通过控制器控制可控整流器的工作状态和控制频率，在可控整流器工作于短路状态时，获取可控整流器输入电流的同步信号，并确定为可控整流器的工作频率。控制器控制可控整流器工作于可控整流输出状态，根据同步信号调节可控整流器输出电流的相位角，使可控整流器的直流输出电压稳定于目标电压。恒压负载开启后，无线充电系统对恒压负载进行恒压充电。当恒压负载等效电阻出现波动时，根据计算得到的调节相位角的控制频率，动态调节相位角，实现稳定恒压输出。这样设置的恒压输出无线充电系统可以适配不同类型的恒压负载，并且在可控的条件下，既实现恒压输出，又可减少控制器的内存损耗。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例提供的一种无线充电控制系统的结构图；
图2是根据本发明实施例提供的一种无线充电控制系统中可控整流电路的结构图；
图3是根据本发明实施例提供的一种无线充电控制系统中补偿网络的结构图；
图4是根据本发明实施例提供的一种无线充电控制方法的流程图；
图5是根据本发明实施例提供的无线充电控制系统中可控整流器工作于短路状态时的电路结构图；
图6是根据本发明实施例提供的无线充电控制系统中可控整流器工作于不控整流输出状态时的电路结构图；
图7是根据本发明实施例提供的一种无线充电控制系统中可控整流器工作于可控整流输出状态时的电路结构图；
图8是根据本发明实施例提供的又一种无线充电控制系统中可控整流器工作于可控整流输出状态时的电路结构图；
图9是根据本发明实施例提供的又一种无线充电控制方法的流程图；
图10是根据本发明实施例提供的可控整流器的输入电流ireci、输出电流ireco和输入电压vrec之间关系的波形图；
图11是根据本发明实施例提供的又一种无线充电控制方法的流程图；
图12是根据本发明实施例提供的又一种无线充电控制方法的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明实施例提供一种无线充电控制系统。图1是本发明实施例提供的一种无线充电控制系统的结构图。如图1所示，该无线充电控制系统包括：接收端线圈10、补偿网络20、可控整流器30和控制器40。
接收端线圈10用于感应发射端线圈产生的高频磁场，生成感应电流；
补偿网络20与接收端线圈10的两端电连接；用于输出恒定电流；
可控整流器30的输入端与补偿网络20电连接，输出端连接有恒压负载；
控制器40与可控整流器30电连接，用于控制可控整流器30工作于短路状态，根据可控整流器30的输入电流获取同步信号；控制可控整流器30由短路状态切换至可控整流输出状态，根据同步信号控制可控整流电路，调节直流输出电压并稳定至目标电压；恒压负载开启后，调整可控整流器30的输出电流的相位角，将直流输出电压稳定于目标电压；在恒压负载等效电阻发生波动时，动态调节可控整流器30的输出电流的相位角以及对相位角进行调整的控制频率。
具体地，该无线充电控制系统配置于车载端。当设置于地面充电区域的发射端线圈产生高频磁场后，基于电磁感应原理，车载端的接收端线圈10内将产生感应电流。补偿网络20可以是LCC补偿网络，补偿网络20的输入端与接收端线圈10的两端电连接，使接收端线圈10产生的感应电流流入补偿网络20，由补偿网络20输出时可实现恒流输出电流。可控整流器30的输入端与补偿网络20电连接，输出端与恒压负载电连接，使得由补偿网络20输出的恒流电流输入可控整流器30，经整流调节后，可实现输出恒压电流至恒压负载，以供恒压负载充电使用。并可根据恒压负载的类型，将电流电压调节至相应数值，稳定输出至恒压负载。
控制器40与可控整流器30的控制端电连接，用于控制可控整流器30的工作状态。当没有恒压负载接入无线充电系统，不需对恒压负载进行无线充电时，控制器40控制可控整流器30工作于短路状态；当需要对恒压负载进行无线充电时，通过外接于无线充电系统的采样电路获取输入可控整流器30的电流的同步信号，使控制器40控制可控整流器30工作于可控整流输出状态。其中，电流的同步信号可以包括电流过零点信息和电流的谐振频率，基于同步信号可得到电流的振荡波形图像。获取到电流的同步信号后，控制器40控制可控整流器30的工作频率与电流的振荡频率相同，以整流调控电流输出恒压电流至恒压负载。控制器40通过调节可控整流器30的输出电流的相位角，使直流输出电流的电压值稳定至目标电压后，恒压负载开启。在无线充电过程中，当恒压负载等效电阻出现波动，直流输出电流的实际电压值超出目标电压的阈值范围时，控制器40根据当前系统的相关参数，计算得到合适的调整相位角的控制频率，动态调节可控整流器30输出电流的相位角，使直流输出电流的实际电压值稳定于目标电压附近，实现恒压输出；并且在满足恒压输出的情况下，调节相位角至最优值，使控制器的内存损耗减小，节省资源。
本实施例的技术方案设计一种具有可控整流器的无线充电系统，通过控制器控制可控整流器的工作状态和控制频率，在可控整流器工作于短路状态时，获取可控整流器输入电流的同步信号，并确定为可控整流器的工作频率。控制器控制可控整流器工作于可控整流输出状态，根据同步信号调节可控整流器输出电流的相位角，使可控整流器的直流输出电压稳定于目标电压。恒压负载开启后，无线充电系统对恒压负载进行恒压充电。当恒压负载等效电阻出现波动时，根据计算得到的调节相位角的控制频率，动态调节相位角，实现稳定恒压输出。这样设置的恒压输出无线充电系统可以适配不同类型的恒压负载，并且在可控的条件下，既实现恒压输出，又可减少控制器的内存损耗。
可选的，图2是本发明实施例提供的一种无线充电控制系统中可控整流电路的结构图。本实施例细化了上述实施例中的可控整流器的具体结构。如图2所示，可控整流器配置有可控整流电路；
可控整流电路包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一场效应管Q1和第二场效应管Q2；
第一二极管D1的第一端与第三二极管D3的第二端电连接，可控整流电路的第一端X1连接于第一二极管D1的第一端与第三二极管D3的第二端之间；第二二极管D2的第一端与第四二极管D4的第二端电连接，可控整流电路的第四端X4连接于第二二极管D2的第一端与第四二极管D4的第二端之间；第一二极管D1的第二端以及第二二极管D2的第二端与可控整流电路的第二端X2电连接；第三二极管D3的第一端以及第四二极管D4的第一端与可控整流电路的第三端X3电连接；
第一场效应管Q1的第一极与第二极并联连接于第三二极管D3的第一端和第二端；第二场效应管Q2的第一极与第二极并联连接于第四二极管D4的第一端和第二端。
具体地，可控整流器包含可控整流电路，用于调节可控整流器输出电流的相位角，使输出电流为适配恒压负载的直流恒压输出电流。在可控整流电路中，第一二极管D1和第三二极管D3串联连接，第二二极管D2和第四二极管D4串联连接，第一二极管D1的第二端和第三二极管D3的第一端并联连接于第二二极管D2的第二端和第四二极管D4的第一端。由四个二极管构成的电路组成了不控整流电路，可以固定的频率对输入电流进行整流输出，得到直流输出电流。而本实施例中，在第三二极管D3的两极并联连接第一场效应管Q1，并且在第四二极管D4的两极并联连接第二场效应管Q2，构成了可控整流电路。可控整流电路可以控制调节输入电流相位角的大小以及调节相位角的控制频率，从而在充电过程中恒压负载等效电阻发生波动时，可动态实时调节相位角的大小，保证直流输出电流的电压值稳定于目标电压附近。
可选的，第一场效应管Q1以及第二场效应管Q2的控制极均与控制器电连接，第一场效应管Q1和第二场效应管Q2可以是N型MOS管。控制器可通过向第一场效应管Q1和第二场效应管Q2的控制极输出电平信号，控制第一场效应管Q1和第二场效应管Q2的导通或关断，从而调节输出电流的相位角，实现恒压输出。
可选的，图3是本发明实施例提供的一种无线充电控制系统中补偿网络的结构图。本实施例细化了上述实施例中的补偿网络的具体结构。如图3所示，补偿网络包括：第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电感L1和第二电感L2。
其中，第一电容C1的第一端与接收端线圈10的一端电连接，第一电容C1的第二端与第一电感L1的第一端电连接；第一电感L1的第二端与可控整流电路30的第一端电连接；第二电容C2的第一端与接收端线圈10的另一端电连接，第二电容C2的第二端与第二电感L2的第一端电连接；第二电感L2的第二端与可控整流电路30的第四端电连接；第三电容C3并联于第一电容C1的第二端与第二电容C2的第二端之间。
具体地，补偿网络可以是LCC补偿网络。当地面发射端线圈产生高频磁场后，车载接收端线圈基于电磁感应原理，产生感应电流，输出至补偿网络。通过改变工作频率，改变第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3以及第一电感L1和第二电感L2的参数值，从而实现输出恒流电流源。
本发明实施例还提供一种无线充电控制方法。图4是本发明实施例提供的一种无线充电控制方法的流程图。参见图1和图4，该无线充电控制方法，适用于无线充电控制系统，无线充电控制系统包括：接收端线圈、补偿网络和可控整流器，接收端线圈用于感应发射端线圈产生的高频磁场，生成感应电流；补偿网络与接收端线圈的两端电连接，用于输出恒定电流；可控整流器的输入端与补偿网络电连接，输出端连接有恒压负载；
该无线充电控制方法包括：
S110、控制可控整流器工作于短路状态，根据可控整流器的输入电流获取同步信号；其中，同步信号包括：电流谐振频率与电流过零点信息。
具体地，可控整流器输入电流的同步信号可以包括电流谐振频率和电流过零点信息。可控整流器的输入电流为交流电信号，则电流过零点信息是交流电信号周期性振荡过程中，电流值为零时的时间信息，从而可得到交流电信号的一个振荡周期的起点；电流谐振频率可以包括交流电信号振荡的频率及幅值，从而可得到交流电信号的振荡波形。通过控制器控制可控整流电路处于短路状态，使可控整流电路不向恒压负载端输出电压。可以利用外接于无线充电系统的采样电路获取可控整流器输入电流的同步信号，得到振荡信息。
S120、控制可控整流器由短路状态切换至可控整流输出状态。
具体地，在得到可控整流器输入电流的同步信号后，控制器控制可控整流器的工作状态由短路状态转换至可控整流输出状态，控制可控整流器的工作频率，使可控整流器对输出电流的电压进行调节。
S130、根据同步信号控制可控整流电路的输出电压并稳定至目标电压。
具体地，目标电压是适配于所连接的恒压负载的所需电压。可控整流器工作于可控整流输出状态，调节可控整流器的直流输出电压由零升高至目标电压。在目标电压附近设置目标电压阈值范围，目标电压阈值范围是恒压负载所允许接受的充电电压，且对于不同的恒压负载，目标电压阈值范围不同。例如：目标电压阈值范围可以是在目标电压的±5V的范围。当控制器控制可控整流器输出电流的电压逐渐增大，稳定于目标电压阈值范围内时，即可认为可控整流器输出电流的电压满足稳定至目标电压的要求。
S140、在恒压负载开启后，调整可控整流器的输出电流的相位角，将直流输出电压稳定于目标电压。
具体地，可控整流器输出电流的电压值稳定于目标电压后，将可控整流器输出端连接的恒压负载开启，接入电路中，开始对恒压负载电池进行无线充电。将恒压负载接入电路后，可控整流器输出电流的直流输出电压会发生变化，控制器通过控制可控整流器输出电流的相位角，将直流输出电压调节至目标电压阈值范围内，并稳定于目标电压阈值范围内，使直流输出电压在恒压负载的充电过程中始终保持于目标电压阈值范围内，实现恒压输出供给恒压负载电池充电所需的直流电压。
S150、在恒压负载等效电阻发生波动时，动态调节可控整流器的输出电流的相位角以及对相位角进行调整的控制频率。
具体地，在充电过程中，随着电池电量逐渐增多，恒压负载的所需充电功率减小，则恒压负载等效电阻出现波动。此时，可控整流器输出电流的直流输出电压可能超出目标电压阈值范围，导致无法对恒压负载保持恒压充电。在恒压负载等效电阻波动的过程中，控制器控制可控整流器输出电流的相位角，调节输出电流的频率，以调整交流电信号转换为直流电信号后的直流输出电压值稳定于目标电压阈值范围。
由于恒压负载等效电阻在充电过程中会发生动态波动，因此需以预设控制频率对可控整流器输出电流的相位角进行实时调整。并且在充电过程中，对预设控制频率进行动态调节，以满足对恒压负载实现恒压输出所需电能的同时，还可减少控制器用于以不合适的工作频率控制可控整流器整流输出造成的内存损耗，节省资源，从而达到较优的无线充电系统的恒压输出控制效果。
可选的，本实施例细化了上述实施例中步骤S140的方法特征。继续参见图2，可控整流器包括可控整流电路，可控整流电路包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一场效应管Q1和第二场效应管Q2，第一二极管D1的第一端与第三二极管D3的第二端电连接，第二二极管D2的第一端与第四二极管D4的第二端电连接，第一二极管D1的第二端与第二二极管D2的第二端电连接，第三二极管D3的第一端与第四二极管D4的第一端电连接，第一场效应管Q1的第一极与第二极并联连接于第三二极管D3的第一端和第二端；第二场效应管Q2的第一极与第二极并联连接于第四二极管D4的第一端和第二端；
调整可控整流器的输出电流的相位角，包括：
控制可控整流器中第一场效应管和第二场效应管的导通或关断，调节可控整流器的输出电流的相位角。
具体地，可控整流电路中的第一场效应管Q1和第二场效应管Q2的控制极均与控制器电连接。控制器向第一场效应管Q1和第二场效应管Q2的控制极输出相应的电平信号，控制第一场效应管Q1和第二场效应管Q2导通或关断，以实现调节可控整流器的输出电流的相位角，输出直流恒压输出电流至恒压负载。
在第一场效应管Q1和第二场效应管Q2处于不同状态下时，可控整流器工作于不同的工作状态。可选的，控制可控整流器中第一场效应管和第二场效应管均导通时，可控整流器的输出电流的相位角调节至0°，可控整流器工作于短路状态；
控制可控整流器中第一场效应管和第二场效应管均关断时，可控整流器的输出电流的相位角调节至90°，可控整流器工作于不控整流输出状态；
控制可控整流器中第一场效应管和第二场效应管交替导通时，可控整流器的输出电流的相位角调节为0°至90°之间，可控整流器工作于可控整流输出状态。
具体地，图5是本发明实施例提供的无线充电控制系统中可控整流器工作于短路状态时的电路结构图，图6是本发明实施例提供的无线充电控制系统中可控整流器工作于不控整流输出状态时的电路结构图，图7是本发明实施例提供的一种无线充电控制系统中可控整流器工作于可控整流输出状态时的电路结构图，图8是本发明实施例提供的又一种无线充电控制系统中可控整流器工作于可控整流输出状态时的电路结构图。其中，“×”表示对应二极管和/或场效应管处于关断状态。如图5所示，控制器向第一场效应管Q1和第二场效应管Q2的控制极输出高电平信号，控制第一场效应管Q1和第二场效应管Q2均导通，使可控整流器输出电流的相位角调节至0°。则可控整流器的输入电流由第一端X1进入，依次经过第一场效应管Q1和第二场效应管Q2后，由第四端X4输出，电流未经过二极管。此时，可控整流器工作于短路状态。如图6所示，控制器向第一场效应管Q1和第二场效应管Q2的控制极输出低电平信号，控制第一场效应管Q1和第二场效应管Q2均关断，使可控整流器输出电流的相位角调节至90°。则可控整流器的正向输入电流由第一端X1进入，经过第一二极管D1后由第二端X2输出至母线电容，再由第三端X3进入，经过第四二极管D4后由第四端X4输出；反向输入电流由第四端X4进入，经过第二二极管D2后由第二端X2输出至母线电容，再由第三端X3进入，经过第三二极管D3后由第一端X1输出。此时，可控整流器工作于不控整流输出状态。如图7所示，控制器向第一场效应管Q1输出低电平信号，向第二场效应管Q2的控制极输出高电平信号，控制第一场效应管Q1关断，第二场效应管Q2导通；此时，正向电流由可控整流电路的第一端X1输入，经过第一二极管D1后由第二端X2输出至母线电容，再由第三端X3进入，经过第二场效应管Q2后由第四端X4输出；而反向输入电流被截止。因此，可控整流器工作于可控整流输出状态。如图8所示，控制器向第一场效应管Q1输出高电平信号，向第二场效应管Q2的控制极输出低电平信号，控制第一场效应管Q1导通，第二场效应管Q2关断。此时，反向电流由可控整流电路的第四端X4输入，经过第二二极管D2后由第二端X2输出至母线电容，再由第三端X3进入，经过第一场效应管Q1后由第一端X1输出；而正向输入电流被截止。因此，可控整流器工作于可控整流输出状态。
随着无线充电过程的进行，恒压负载电池电量升高，恒压负载等效电阻发生波动，控制器通过以一定的控制频率控制第一场效应管Q1和第二场效应管Q2交替导通或关断，动态调节可控整流器输出电流的相位角为0°至90°之间的任意值，调节直流输出电流的电压值稳定于目标电压附近，从而输出适配恒压负载的直流恒压输出电流。
可选的，图9是本发明实施例提供的又一种无线充电控制方法的流程图。本实施例在上述各实施例的基础上，追加了在恒压负载等效电阻发生波动时，动态调节对可控整流器的输出电流的相位角进行调整的控制频率之前的技术特征。如图9所示，该无线充电控制方法，包括：
S210、控制可控整流器工作于短路状态，根据可控整流器的输入电流获取同步信号。
S220、控制可控整流器由短路状态切换至可控整流输出状态。
S230、根据同步信号控制可控整流电路的输出电压并稳定至目标电压。
S240、在恒压负载开启后，调整可控整流器的输出电流的相位角，将直流输出电压稳定于目标电压。
S250、根据目标电压和负载功率，计算负载等效电阻。
具体地，负载等效电阻RLoad可以由目标电压Vref和负载功率Pout计算得到。当恒压负载未开启之前，无线充电控制系统电路处于空载状态。通过调节可控整流器输出电流的相位角，将可控整流器的直流输出电压调节稳定至目标电压阈值范围后，恒压负载开启。此时，可控整流器输出端连接的等效电阻由无穷大变为RLoad，根据公式RLoad＝Vref 2/Pout可计算出恒压负载等效电阻值。
在充电过程中，随着负载功率Pout的变化，恒压负载等效电阻也会发生变化。此时可控整流器的直流输出电压会偏离于目标电压阈值范围。可控整流器的直流输出电压可以由可控整流器的输入电流ireci、输出电流ireco和输入电压vrec计算得到。图10是本发明实施例提供的可控整流器的输入电流ireci、输出电流ireco和输入电压vrec之间关系的波形图。示例性地，如图10所示，输入电流ireci的波形如图中的长虚线所示，输出电流ireco的波形如图中的实线所示，输入电压vrec的波形如图中的短虚线所示。可控整流器的输入电流ireci可由以下公式计算：
Figure BDA0003512217350000171
其中，Iga是地面发射端线圈的电流幅值，M是接收和发射端之间的互感，Lva是接收端线圈的电感，ω是无线充电系统的工作角频率，而φ则是整流器输入电压和电流的相位差。
经过可控整流器中的可控整流电路时，只有流经第一二极管和第二二极管的电流才会输出至可控整流器输出端连接的恒压负载。由此可见，输出电流ireco在输入电流的每半个周期内2β的时间内不为0。当输出电流ireco为0时，可控整流器的输入电压vrec也为0；当输出电流ireco不为0时，可控整流器的输入电压vrec为正电平或负电平，且交替变化，在输入电流的每半个周期内2β的时间内，输入电压vrec不为0。当β＝0°时，即输入电压vrec为0，此时，第一场效应管Q1和第二场效应管Q2均导通，可控整流器工作于如图5所示的短路状态；当β＝90°时，即输入电压vrec在输入电流ireci的整个周期内均为正电平或负电平，此时，第一场效应管Q1和第二场效应管Q2均关断，可控整流器工作于如图6所示的不控整流输出状态；当β在0°至90°时，即输入电压vrec在输入电流ireci的周期内的2β时间内为正电平或负电平，此时，第一场效应管Q1导通、第二场效应管Q2关断，或者第一场效应管Q1关断、第二场效应管Q2导通，可控整流器交替工作于如图7和图8所示的可控整流输出状态，以调节直流输出电压值至目标电压。
在输出电流ireco经可控整流器输出端连接的母线电容滤波后，输出的直流电流可采用下列公式计算：
Figure BDA0003512217350000181
计算得到直流输出电流后Idc，再根据母线电容Cbus和恒压负载等效电阻RLoad，由以下公式可计算得到直流输出电压Vdc：
Figure BDA0003512217350000182
当计算出的直流输出电压Vdc未稳定于目标电压阈值范围时，控制器通过控制可控整流器输出电流的相位角β，调节直流输出电压至目标电压。
S260、根据负载等效电阻和母线电容计算得到时间常数与控制频率。
具体地，控制频率f是对可控整流电路进行调节的频率，时间常数τ是控制频率f的选择依据。其中，时间常数τ可由恒压负载等效电阻RLoad和母线电容Cbus计算得到，即τ＝RLoad·Cbus。而控制频率f满足1/f<0.1τ时，可以得到较优的直流输出电压的控制效果，既可满足直流输出电压稳定于目标电压输出，又能减少控制器用于调控可控整流器输出电流的相位角β的内存损耗，节省资源。
S270、在恒压负载等效电阻发生波动时，动态调节所述可控整流器的输出电流的相位角以及对所述相位角进行调整的控制频率。
可选的，图11是本发明实施例提供的又一种无线充电控制方法的流程图。本实施例在上述各实施例的基础上，追加了在控制可控整流器工作于短路状态，根据可控整流器的输入电流获取同步信号之前的技术特征。如图11所示，该无线充电控制方法，包括：
S310、发送通讯信号至发射端控制器，使发射端线圈产生高频磁场。
具体地，当恒压负载连接至可控整流电路输出端时，接收端控制器会向发射端控制器传输通讯信号，进入恒压负载无线充电模式，使发射端线圈产生高频磁场。基于电磁感应原理，接收端线圈会感应产生感应电流，经补偿网络、可控整流器的调节处理后，输出直流输出电压稳定于目标电压的电能，用于给恒压负载充电。
S320、控制可控整流器工作于短路状态，根据可控整流器的输入电流获取同步信号。
S330、控制可控整流器由短路状态切换至可控整流输出状态。
S340、根据同步信号控制可控整流电路的输出电压并稳定至目标电压。
S350、在恒压负载开启后，调整可控整流器的输出电流的相位角，将直流输出电压稳定于目标电压。
S360、在恒压负载等效电阻发生波动时，动态调节所述可控整流器的输出电流的相位角以及对所述相位角进行调整的控制频率。
可选的，图12是本发明实施例提供的又一种无线充电控制方法的流程图。本实施例在上述各实施例的基础上，追加了在恒压负载等效电阻发生波动时，动态调节对可控整流器的输出电流的相位角进行调整的控制频率之后的技术特征。如图12所示，该无线充电控制方法，包括：
S410、控制可控整流器工作于短路状态，根据可控整流器的输入电流获取同步信号。
S420、控制可控整流器由短路状态切换至可控整流输出状态。
S430、根据同步信号控制可控整流电路的输出电压并稳定至目标电压。
S440、在恒压负载开启后，调整可控整流器的输出电流的相位角，将直流输出电压稳定于目标电压。
S450、在恒压负载等效电阻发生波动时，动态调节所述可控整流器的输出电流的相位角以及对所述相位角进行调整的控制频率。
S460、切断负载连接或负载关机，无线充电完成。
具体地，在无线充电过程中，当恒压负载功率低于功率阈值时，断开恒压负载与可控整流器的连接，或将恒压负载关机，即完成无线充电过程。其中，功率阈值可以是达到恒压负载电池电量充满的状态时的功率值，或者恒压负载电池进入充电保护状态时的功率值。
S470、可控整流器由可控整流输出状态切换至短路状态，保持待机。
具体地，无线充电过程完成后，可控整流器输出端连接的等效电阻又转换为无穷大，不需输出电流。因此，可控整流器由可控整流输出状态切换至短路状态，等待下一次进行无线充电过程时，再由短路状态切换回可控整流输出状态。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种无线充电控制系统，其特征在于，包括：
接收端线圈，所述接收端线圈用于感应发射端线圈产生的高频磁场，生成感应电流；
补偿网络，所述补偿网络与所述接收端线圈的两端电连接；用于输出恒定电流；
可控整流器，所述可控整流器的输入端与所述补偿网络电连接，输出端连接有恒压负载；
控制器，所述控制器与所述可控整流器电连接，用于控制所述可控整流器工作于短路状态，根据所述可控整流器的输入电流获取同步信号；控制所述可控整流器由短路状态切换至可控整流输出状态，根据所述同步信号控制所述可控整流电路，调节直流输出电压并稳定至目标电压；恒压负载开启后，调整所述可控整流器的输出电流的相位角，将所述直流输出电压稳定于所述目标电压；在恒压负载等效电阻发生波动时，动态调节所述可控整流器的输出电流的相位角以及对所述相位角进行调整的控制频率。
2.根据权利要求1所述的无线充电控制系统，其特征在于，所述可控整流器配置有可控整流电路；
所述可控整流电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一场效应管和第二场效应管；
所述第一二极管的第一端与第三二极管的第二端电连接，所述可控整流电路的第一端连接于所述第一二极管的第一端与第三二极管的第二端之间；所述第二二极管的第一端与所述第四二极管的第二端电连接，所述可控整流电路的第四端连接于所述第二二极管的第一端与所述第四二极管的第二端之间；所述第一二极管的第二端以及所述第二二极管的第二端与所述可控整流电路的第二端电连接；所述第三二极管的第一端以及所述第四二极管的第一端与所述可控整流电路的第三端电连接；
所述第一场效应管的第一极与第二极并联连接于所述第三二极管的第一端和第二端；所述第二场效应管的第一极与第二极并联连接于所述第四二极管的第一端和第二端。
3.根据权利要求2所述的无线充电控制系统，其特征在于，所述第一场效应管的控制极以及所述第二场效应管的控制极均与所述控制器电连接。
4.根据权利要求1所述的无线充电控制系统，其特征在于，所述补偿网络包括：第一电容、第二电容、第三电容、第一电感和第二电感。
其中，所述第一电容的第一端与接收端线圈的一端电连接，所述第一电容的第二端与所述第一电感的第一端电连接；所述第一电感的第二端与可控整流电路的第一端电连接；所述第二电容的第一端与接收端线圈的另一端电连接，所述第二电容的第二端与所述第二电感的第一端电连接；所述第二电感的第二端与所述可控整流电路的第四端电连接；所述第三电容并联于所述第一电容的第二端与所述第二电容的第二端之间。
5.一种无线充电控制方法，适用于无线充电控制系统，其特征在于，所述无线充电控制系统包括：接收端线圈、补偿网络和可控整流器，所述接收端线圈用于感应发射端线圈产生的高频磁场，生成感应电流；所述补偿网络与所述接收端线圈的两端电连接，用于输出恒定电流；所述可控整流器的输入端与所述补偿网络电连接，输出端连接有恒压负载；
所述无线充电控制方法包括：
控制所述可控整流器工作于短路状态，根据所述可控整流器的输入电流获取同步信号；其中，所述同步信号包括：电流谐振频率与电流过零点信息；
控制所述可控整流器由短路状态切换至可控整流输出状态；
根据所述同步信号控制所述可控整流电路的输出电压并稳定至目标电压；
在恒压负载开启后，调整所述可控整流器的输出电流的相位角，将所述直流输出电压稳定于所述目标电压；
在恒压负载等效电阻发生波动时，动态调节所述可控整流器的输出电流的相位角以及对所述相位角进行调整的控制频率。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述可控整流器包括可控整流电路，所述可控整流电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一场效应管和第二场效应管，所述第一二极管的第一端与第三二极管的第二端电连接，所述第二二极管的第一端与所述第四二极管的第二端电连接，所述第一二极管的第二端与所述第二二极管的第二端电连接，所述第三二极管的第一端与所述第四二极管的第一端电连接，所述第一场效应管的第一极与第二极并联连接于所述第三二极管的第一端和第二端；所述第二场效应管的第一极与第二极并联连接于所述第四二极管的第一端和第二端；
所述调整所述可控整流器的输出电流的相位角，包括：
控制所述可控整流器中所述第一场效应管和所述第二场效应管的导通或关断，调节所述可控整流器的输出电流的相位角。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，包括：
控制所述可控整流器中所述第一场效应管和所述第二场效应管均导通时，所述可控整流器的输出电流的相位角调节至0°，所述可控整流器工作于短路状态；
控制所述可控整流器中所述第一场效应管和所述第二场效应管均关断时，所述可控整流器的输出电流的相位角调节至90°，所述可控整流器工作于不控整流输出状态；
控制所述可控整流器中所述第一场效应管和所述第二场效应管交替导通时，所述可控整流器的输出电流的相位角调节为0°至90°之间，所述可控整流器工作于可控整流输出状态。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在恒压负载等效电阻发生波动时，动态调节对所述可控整流器的输出电流的相位角进行调整的控制频率之前，还包括：
根据所述目标电压和负载功率，计算所述负载等效电阻；
根据所述负载等效电阻和母线电容计算得到时间常数与所述控制频率。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述控制所述可控整流器工作于短路状态，根据所述可控整流器的输入电流获取同步信号之前，还包括：
发送通讯信号至发射端控制器，使发射端线圈产生高频磁场。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述在恒压负载等效电阻发生波动时，动态调节所述可控整流器的输出电流的相位角以及对所述相位角进行调整的控制频率之后，还包括：
切断负载连接或负载关机，无线充电完成；
所述可控整流器由可控整流输出状态切换至短路状态，保持待机。
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